Propiedades y reología de alimentos.

Tema 4: Propiedades físicas y reología
Tecnología de los Alimentos
4º Ingeniero Químico
Tema 4
Propiedades y reología de alimentos.
OBJETIVOS:
•
Presentar las principales propiedades físicas de los alimentos y conocer y saber usar los
métodos y recursos para estimarlas.
•
Definir y comprender las características organolépticas de los alimentos.
•
Presentar el comportamiento estrés-deformación de los alimentos.
•
Repasar los modelos reológicos para fluidos e introducir los modelos específicos para
alimentos
•
Comprender la dependencia de las propiedades reológicas con los factores ambientales y
de concentración.
•
Conocer los métodos de determinación de propiedades reológicas aplicables en diferentes
situaciones
•
Estudiar el comportamiento reológico de materiales (alimentarios) cuyas propiedades
cambian con el tiempo.
1
Tema 4: Propiedades físicas y reología
Tecnología de los Alimentos
4º Ingeniero Químico
Índice
1
CARACTERÍSTICAS ORGANOLÉPTICAS.................................................................................................. 3
1.1
Textura ....................................................................................................................................... 3
1.2
Sabor, bouquet y aroma ............................................................................................................. 3
1.3
Color .......................................................................................................................................... 4
2 PROPIEDADES FÍSICAS .......................................................................................................................... 5
2.1
Conductividad ............................................................................................................................ 5
2.2
Capacidad calorífica.................................................................................................................. 7
2.3
Calores latentes y cambios de fase ............................................................................................ 9
3 REOLOGÍA DE ALIMENTOS. MODELOS REOLÓGICOS PARA ALIMENTOS. ............................................. 10
3.1
Tipos de comportamiento esfuerzo-deformación en los alimentos........................................... 10
3.1.1
3.1.2
Sólidos elásticos...................................................................................................................................11
Fluidos .................................................................................................................................................12
3.2
Modelos reológicos para alimentos fluidos ............................................................................. 13
3.3
Influencia de la temperatura en el comportamiento reológico ................................................ 17
3.4
Fluidos dependientes del tiempo .............................................................................................. 18
3.5
Medida de los parámetros reológicos...................................................................................... 19
3.6
Modelos reológicos para alimentos sólidos y viscoelásticos. .................................................. 22
4 OTROS ASPECTOS DE LA ESTRUCTURA FÍSICA DE LOS ALIMENTOS: FORMACIÓN Y ESTABILIZACIÓN DE
DISPERSIONES. ......................................................................................................................................................... 25
4.1
Dispersiones coloidales ........................................................................................................... 25
4.2
Geles/soles ............................................................................................................................... 25
4.3
Emulsiones ............................................................................................................................... 26
4.4
Espumas ................................................................................................................................... 26
2
Tema 4: Propiedades físicas y reología
1
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Características organolépticas.
Para el consumidor, los atributos más importantes de los alimentos los constituyen sus
características organolépticas (textura, bouquet, aroma, forma y color). Son éstas las que determinan las
preferencias individuales por determinados productos. Pequeñas diferencias entre las características
organolépticas de productos semejantes de marcas distintas son a veces determinantes de su grado de
aceptación.
Las características organolépticas son las siguietes
1.1
Textura
Es una sensación subjetiva provocada por el comportamiento mecánico y reológico del alimento
durante la masticación y l deglución.
En la siguiente tabla se resumen los atributos de textura de los alimentos.
La textura de los alimentos se halla principalmente determinada por el contenido en agua y grasa
y por los tipos y proporciones relativas de algunas proteínas y carbohidratos estructurales (celulosa,
almidones y diversas pectinas). Los cambios en la textura están producidos por la pérdida de agua o grasa,
la formación o rotura de las emulsiones, la hidrólisis de los carbohidratos poliméricos y la coagulación o
hidrólisis de las proteínas.
1.2
Sabor, bouquet y aroma
Los atributos básicos del sabor son
•
dulzor
•
amargor
•
acidez
3
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Estos atributos se hallan esencialmente determinados por la composición del alimento y no suele
afectarles el proceso de elaboración. Constituyen una excepción los cambios provocados por la
respiración metabólica de los alimentos frescos y los cambios en acidez y dulzor que pueden producirse
durante la fermentación.
La sensación básica de sabor se encuentra fuertemente matizada por la presencia de
innumerables compuestos complejos de naturaleza orgánica.
Los alimentos frescos contienen mezclas complejas de componentes volátiles que imparten
bouquets y aromas característicos. Durante el proceso de elaboración estos componentes pueden llegara
perderse reduciéndose entonces la intensidad del bouquet o destacándose otros componentes de éste y del
aroma.
También se producen, por acción del calor, las radiaciones ionizantes, la oxidación, o la actividad
de los enzimas sobre las proteínas grasas o carbohidratos, componentes aromáticos volátiles diversos.
Algunos ejemplos de este fenómeno son la ya comentada reacción de Maillard, que tiene lugar entre
aminoácidos y azúcares reductores, o la que se produce entre los grupos carbonílicos y los productos de la
degradación de los lípidos, o la hidrólisis de los lípidos a ácidos grasos y su posterior transformación en
aldehídos, ésteres y alcoholes.
El aroma de los alimentos se halla determinado por una compleja combinación de centenares de
compuestos, algunos de los cuales actúan de forma sinérgica.
1.3
Color
Muchos de los pigmentos naturales de los alimentos se destruyen durante el tratamiento térmico,
por transformaciones químicas que tienen lugar como consecuencia de cambios en el pH, o por
oxidaciones durante el almacenamiento (ver tabla). Como consecuencia de ello, el alimento elaborado
pierde su color característico y por tanto, parte de su valor. Los pigmentos sintéticos son más estables, por
lo que a menudo se agregan al alimento antes de la elaboración.
El color es el atributo percibido inicialmente por el consumidor y por tanto fundamental en la
elección, por lo que su preservación es objeto de mucho cuidado para que el alimento tenga el color que
el consumidor espera, que no es siempre el natural. Por ejemplo, algunas mermeladas como la de fresa o
ciruela adquieren un color pardo durante el tratamiento térmico, que ha de ser modificado por diversas
formas. Otro ejemplo es la mioglobina de la carne, que expuesta al oxígeno adquiere el característico
color rojo, mientras que en atmósferas pobres en oxígeno se vuelve parda, dando un aspecto mucho
menos atractivo. Para impedir los efectos favorecedores de la proliferación de microorganismos de una
atmósfera rica en oxígeno, se puede envasar la carne en presencia de una pequeña cantidad de monóxido
de carbono (CO) que se une a la mioglobina con más fuerza que el oxígeno dando un color rojo muy vivo.
4
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2
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Propiedades físicas
2.1
Conductividad
La conductividad es una propiedad esencial para determinar la cinética de penetración del calor
en cuerpos sólidos, además de otros muchos problemas de transmisión del calor. Esta propiedad se
encuentra extensamente tabulada en la bibliografía para muchos alimentos. Sin embargo es conveniente a
menudo poder obtenerla de la composición del alimento. A continuación se presentan algunas
correlaciones:
La mayoría de los alimentos tienen un contenido en agua tan elevado que las propiedades del
alimento se acercan mucho a las del agua. Las siguientes correlaciones predicen k de la gran mayoría de
alimentos (de todos los listados en la tabla) dentro de un 15% de error.
• Para el agua a 20ºC
kH2O = 0,597 W m-2 ºC-1
• Para frutas y vegetales con contenido en agua superior al 60%
k = 0,148 + 0,00493 xH2O
5
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• Para carnes con contenido en agua entre el 60 al 80%
k = 0,08 + 0,0052 xH2O
• Para cualquier alimento
k = 0,25 xHC + 0,155 xP + 0,16 xGR +0,135 xCZ + 0,48 xH2O
(todas en W m-2 ºC-1)
Donde xHC , xP , xGR , xCZ y xH2O representan las fracciones másicas de hidratos de carbono,
proteínas, grasas, cenizas y agua, respectivamente.
La composición de algunos alimentos se expone en la siguiente tabla.
6
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2.2
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Capacidad calorífica
Necesarios para calcular cambios de entalpía a temperatura constante. De nuevo, pueden
obtenerse de manuales de referencia para la mayoría de los alimentos. En el caso de alimentos
compuestos, pueden usarse las siguientes correlaciones basadas en su composición
• Para carnes, pescados frutas y verduras con contenido en agua superior al 50%
Cp = 1,675 + 0,025 xH2O
• Para cualquier alimento de composición conocida
Cp = 1,424 xHC + 1,549 xP + 1,675 xGR +0,847 xCZ + 4,187 xH2O
(ambas en kJ kg-1 ºC-1)
Para determinar las composiciones puede usarse la tabla anterior.
A modo de comparación y comprobación de ambas ecuaciones, veamos los siguientes datos
experimentales.
7
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8
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2.3
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Calores latentes y cambios de fase
Durante el procesado de los alimentos ocurren con frecuencia cambios de fase cuyos
requerimientos se han de prever en los intercambios energéticos del proceso. El cambio de fase más
importante en términos energéticos es el de la congelación y vaporización del agua contenida en los
alimentos, pero también tienen importancia cambios de fase en el procesado de grasas como la manteca
de cacao en la fabricación del chocolate.
Los datos importantes de un cambio de fase son la temperatura a la que tiene lugar (o intervalo de
temperaturas) y el cambio de entalpía.
9
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3
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Reología de alimentos. Modelos reológicos para alimentos.
Como vd. Ya sabe, la reología puede definirse como el ámbito de la ciencia que estudia la
deformación y el flujo de materiales causadas por la aplicación de un esfuerzo. El comportamiento
reológico de los alimentos es muy complejo y a la vez desempleña un papel muy importante en muchos
sistemas de proceso.
Las necesidades de conocer la reología en la industria de los alimentos son múltiples. Entre otras
se pueden citar:
•
Diseño de tuberías y selección de bombas
•
Diseño y análisis de equipos de extrusión
•
Selección y operación de equipos de mezclado
•
Diseño y operación de cambiadores de calor
•
Procesos en los que se realizan recubrimientos
•
Selección de envases
El modelo reológico, que relaciona el esfuerzo aplicado con la velocidad de corte, es la base
teorica para resolver los problemas expuestos.
3.1
Tipos de comportamiento esfuerzo-deformación en los alimentos
Es evidente de la experiencia común, que los alimentos reaccionan de forma muy diferente ante la
aplicación de un esfuerzo. Unos son sólidos duros y se rompen bruscamente ante un esfuerzo elevado,
como el turrón. Otros sólidos se deforman para acabar rompiendose, como la gelatina (en realidad la
mayoría de los alimentos sólidos tienen este comportamiento). Otros, sin embargo, fluyen de diversas
formas, como la leche, mayonesa, purés o masa del pan, requiriendo o no superar un nivel de esfuerzo
inicial frente al que pueden o no deformarse antes de fluir.
Para algunos, como la mantequilla, es incluso difícil discernir si se trata de un sólido o de un
fluido.
La siguiente figura da una clasificación general de los comportamientos posibles.
10
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Sólido elástico lineal
(Hookeano)
Líquido Newtoniano
Sólido elástico no lineal
Líquido no Newtoniano
Materiales viscoelásticos
(primero se deforman, luego fluyen)
Sólidos
Líquidos
Clasificación general de los posibles comportamientos reológicos.
A continuación se definen las magnitudes que intervienen en los procesos de deformación o flujo
ante el esfuerzo
3.1.1
Sólidos elásticos
Los alimentos sólidos son aquellos que no fluyen ante un esfuerzo, sino que se deforman y se
acaban rompiendo. Los sólidos rígidos se rompen sin deformarse. Hay diferentes tipos de deformaciones.
Veamos la elongación y la deformación.
La elongación viene causada por la aplicación de una tensión sobre la superficie que se deforma.
La siguiente figura muestra un paralelepípedo sometido a una tensión σ, frecuentemente expresada como
fuerza por unidad de sección inicial. El material, de una longitud inicial Lo, se elonga δL.
Puesto que δL depende de Lo, resulta conveniente definirlo de una forma más general. Así, se
siendo L = Lo + δL, se puede definir la elongación como
11
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δL
L + Lo
L
=
−1
Lo
Lo
Elongación de Cauchy
εc =
Elongación de Henchy
ε H = Ln(L / Lo )
Lo
=
La deformación cortante es causada por un esfuerzo aplicado sobre una superficie diferente de la
que se deforma. Se representa en la siguiente figura
Esta deformación se cuantifica como ε = tg (γ ) =
δL
h
.
Los sólidos también se pueden deformar por compresión. N este caso, la fuerza es
perpendicularmente aplicada sobre la superficie. La deformación puede tener lugar en cualquier sentido.
La deformación concreta viene dada, en general, por el tensor de elasticidad
En principio, asumiremos que la deformación se produce en una única dirección y podemos usar
la misma nomenclatura que en la elongación.
3.1.2
Fluidos
Se caracterizan porque sus elementos se desplazan uno respecto a otro ante la aparición de un
esfuerzo.
El desplazamiento (concretamente, el perfil de velocidad) para un nivel de esfuerzo aplicado
puede variar de muchas formas. El perfil de velocidad puede ser o no proporcional al esfuerzo. Por otra
12
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parte el fluido puede resistir un determinado nivel de esfuerzo antes de empezar a fluir. Si durante la
aplicación de este esfuerzo inicial se deforma sin llegar a fluir (se recupera al cesar el esfuerzo), entonces
es un fluido viscoelástico.
También puede ocurrir que para un esfuerzo constante, el tipo de flujo varíe con el tiempo. Esto
es bastante habitual en los alimentos.
La reología de fluidos estudia la relación que existe entre la fuerza motriz que provoca el
movimiento (esfuerzo cortante, σ) y la velocidad de flujo que se origina (el gradiente del perfil de
velocidades, γ). Aunque vd está ya familiarizado con estos conceptos, redefinamoslos a modo de
recordatorio
Esfuerzo cortante, σ
Es la fuerza por unidad de área aplicada paralelamente al desplazamiento (cortante).
Tiene unidades de fuerza dividido por superficie, en el SI se mide en N m-2. Es homogéneo con la
unidad de presión, Pa, aunque hay que recordar que a diferencia de ésta, el esfuerzo cortante es una
magnitud vectorial.
El esfuerzo cortante es una magnitud microscópica ya que cambia en cada punto del perfil de
velocidades.
Velocidad de corte, γ
El esfuerzo cortante provoca el desplazamiento ordenado de los elementos del fluido, que
alcanzan unas velocidades relativas estacionarias que denotaremos V(x). La velocidad de corte se define
como el gradiente (velocidad espacial de cambio) del perfil de velocidades γ =
dV
.
dx
Las velocidad de corte se mide en tiempo-1.
Aunque a menudo sólo se representa una componente, γ es una magnitud vectorial.
Viscosidad aparente, η
Mide la facilidad que tiene una determinada sustancia para fluir ante la aplicación de un esfuerzo
cortante en unas determinadas condiciones.
Se define como el ratio entre esfuerzo cortante y velocidad de corte η =
σ
.
γ
Se mide en kg m-1 s-1. La unidad clásica es el Poise y la más comúnmente usada es el centipoise
cP.
Los fluidos Newtonianos son los de comportamiento más sencillo al presentar una viscosidad
aparente constante (a T=cte) e independiente des esfuerzo de corte y de la velocidad de corte.
3.2
Modelos reológicos para alimentos fluidos
La descripción precisa del flujo, necesaria para el diseño de sistemas de bombeo, tuberías,…etc,
requiere una ecuación que exprese la relación entre σ y γ en cualquier punto.
13
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Observando el comportamiento de diversos fluidos (independientes del tiempo) mostrados en la
siguiente figura, se ha caracterizado el comportamiento proponiendo diversas ecuaciones que los
reproducen.
•
Los fluidos Newtonianos muestran una relación lineal entre σ y γ. En este caso
σ = µ ⋅ γ , donde µ es la “viscosidad verdadera”
•
Los fluidos psudoplasticos y dilatantes muestran una relación no lineal entre σ y γ que
en ambos casos se representa por la “ley de la potencia”
σ = K ⋅γ n .
K y n son parámetros del modelo de flujo. K se denomina “índice de
consistencia” mientras que n es el “índice de flujo”. Para los fluidos pseudoplásticos se
cumple que n<1 mientras que n>1 ocurre para los dilatantes.
La ley de la potencia representa al fluido newtoniano cuando n=1.
•
Los “plásticos de Bingham” requieren la aplicación de un esfuerzo mínimo antes de
empezar a fluir, por lo que se representan bien por
σ = σ o + µ ⋅γ
Donde σ0 es el esfuerzo de corte necesario para iniciar el flujo.
•
Finalmente, los plásticos generales o de Herschel-Bulkley representan
comportamiento más general que engloba al de todos los anteriores con la ecuación
σ = σ o + K ⋅γ n
A continuación se muestran algunos alimentos con los diferentes tipos de flujo.
14
un
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Y a continuación se presentan las viscosidades de algunos fluidos para ilustrar el rango en el que
se pueden mover.
Ejemplo:
Estudie el modelo de flujo apropiado y determine los parámetros para una disolución de
carragenato al 1% en agua a 20ºC cuyos datos reológicos son los siguientes
15
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Y ahora, haga lo mismo con este recubrimiento de chocolate fundido a 40ºC
Sin embargo los modelos propuestos no son suficientes. Por ejemplo, el chocolate anterior puede
confundirse con un plástico de Bingham pero no lo es. De hecho, las desviaciones de este modelo
respecto del comportamiento real del chocolote son especialmente notables a bajas velocidades de flujo,
que son las que tiene lugar en el proceso de recubrimiento.
Observando el comportamiento de muchos fluidos, se han propuesto otros modelos más generales
que reproducen el comportamiento de muchos alimentos concretos. Por ejemplo, el modelo de Casson es
el aceptado en la industria para el chocolate.
Los siguientes modelos han sido propuestos para fluidos que no se representan bien con el
comportamiento del plástico generalizado (que incluye a los newtonianos, ley de la potencia y plásticos
de Bingham).
16
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Modelos reológicos para fluidos independientes del tiempo.
3.3
Influencia de la temperatura en el comportamiento reológico
El incremento de la temperatura se traduce en un descenso de la resistencia a fluir que se traduce
en un descenso de la viscosidad (aparente o verdadera) o en los parámetros del modelo de flujo.
En el caso de fluidos que obedecen a la ley de la potencia, la variación con la temperatura se
produce en el índice de consistencia K, quedando n, índice de flujo, inalterado.
Las siguientes ecuaciones han sido propuestas para correlacionar viscosidad o índice de
consistencia con la temperatura
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observe que la segunda ecuación tiene la forma de una correlación de Arrhenius, que le resultará
familiar.
Esto es cierto siempre que no haya alguna reacción de gelatinización, desnaturalización o
cualquier formación de enlaces intermoleculares favorecida por la temperatura. Si la hubiere, hay que
estudiar el caso concreto
Ejemplo: Vea si puede correlacionar la variación del índice de consistencia del puré de
albaricoque cuyos datos se muestran a continuación.
Ejemplo: Pruebe ahora con el siguiente zumo de naranja de 65 Brix y 5,7% de sólidos.
3.4
Fluidos dependientes del tiempo
En algunos fluidos, la viscosidad aparente no permanece constante aunque se mantenga constante
la velocidad de corte. Este fenómeno es relativamente habitual en los alimentos. La viscosidad aparente
puede disminuir o incrementarse como muestra la siguiente gráfica.
18
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Los fluidos cuya viscosidad aparente se incrementa con el tiempo se denominan reopécticos,
mientras que los que se hacen más fluidos se denominan tixotrópicos.
Estos fenómenos se explican por la aparición o rotura de nuevos enlaces o interacciones
intermoleculares por la acción de la agitación, como en el caso de los almidones, la masa del pan o en la
formación de emulsiones como la mayonesa.
La variación de las propiedades reológicas puede ser reversible o no. La tixotropía irreversible,
bastante común en sistemas alimentarios, se denomina Reomalaxis o Reodestrucción.
Este comportamiento puede ser modelizado introduciendo en los indices de consistencia una
dependencia del tiempo o de la energía específica absorbida por el fluido.
3.5
Medida de los parámetros reológicos
Para estudiar el comportamiento reológico de un fluido de forma rigurosa es necesario realizar
medidas de viscosidad aparente (σ/γ) en varias condiciones de esfuerzo cortante y velocidad de corte. La
siguiente gráfica muestra como dos fluidos muy diferentes podrían ser tomados por el mismo si se realiza
una sola medida.
19
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La gráfica anterior muestra que es necesario realizar medidas de viscosidad en todo el intervalo
de velocidades de corte en el que se va a trabajar.
Las medidas de viscosidad se realizan con aparatos denominados viscosímetros o reómetros.
Este último término se reserva para aparatos más complejos que son capaces de explorar un amplio
intervalo de esfuerzos cortantes y velocidades de corte así como de registrar variaciones de los parámetros
reológicos con el tiempo.
Los reómetros funcionan provocando un flujo del material experimental y midiendo el esfuerzo
generado o viceversa. Puesto que el volumen o espesor del material experimental tiene un espesor finito,
en el seno del material se produce un perfil de velocidad, y no un único σ que se corresponda con el γ
fijado, la relación entre σ y γ no se obtiene de forma inmediata, sino que se requiere el conocimiento
previo del modelo de flujo o realizar el tratamiento adecuado tal y como se explica en
http://www.egr.msu.edu/~steffe/freebook/STEFFE.pdf .
En general, la mayoría de estos aparatos funcionan de forma automatizada y solo requieren saber
la selección del programa adecuado para el tipo de fluido y rango que se desea medir.
Los diferentes reómetros se muestran en la figura que aparece a continuación, clasificados por el
fundamento en el que basan la medida que puede ser el originar un flujo mediante una presión conocida
(viscosímetros de flujo) u originando un movimiento circular en el interior de un receptáculo
(viscosímetros rotacionales).
20
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Así, los reómetros pueden clasificase en dos tipos fundamentales: rotacionales y de flujo o tubo.
•
•
Los de flujo o tubo son más sencillos y dan buenos resultados cuando el fluido está libre
de partículas en suspensión y el rango de viscosidad a medir es moderado. No sirven para
medir fluidos dependientes del tiempo. Pueden ser usados en lineaHay tres tipos.
-
Tipo Canon-Fenske: Un tubo capilar de cristal en el que el fluido cae por
gravedad. Sólo sirve para fluidos newtonianos, a un único σ. El rango de
aplicación es limitado
-
Capilar a alta presión: Mide el caudal de fluido que se establece al establecer
una presión en un extremo. Es rápido, sencillo, y requiere un caudal bajo de
fluido
-
Tipo tubería: Como el anterior, pero usando cualquier tubería. Se basa en medir
el caudal que provoca una caída de presión a través de una longitud de una
tubería cualquiera. Al igual que el anterior, requiere flujo laminar, que en este
caso es más difícil de conseguir que en el capilar, y el conocimiento del modelo
de flujo.
Los rotacionales son equipos muy versátiles que pueden estudiar el comportamiento
reológico en cualquier rango incluso en fluidos con partículas en suspensión. Son de gran
precisión. Pueden estudiar incluso viscoelásticos. Se basan en un elemento rotacional que
impone una determinada velocidad de rotación para la que se calcula la velocidad de
corte correspondiente y el esfuerzo cortante que requiere del elemento motor. No pueden
ser usados en linea.
-
Los de cilindros concéntricos y platos tienen un rango de aplicación muy
grande. Por su geometría σ y γ pueden ser deducidos muy fácilmente. Son
aparatos de precisión, normalmente automatizados y por ello son caros. No son
adecuados para medir fluidos con partículas en suspensión.
21
Tema 4: Propiedades físicas y reología
-
3.6
Tecnología de los Alimentos
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Los de aspas o de agitador son probablemente los más versátiles, pero por su
geometría, la relación σ − γ no puede ser deducida directamente, sino que el
dispositivo ha de ser previamente calibrado con un fluido de reologiaconocida en
el rango a ensayar.
Modelos reológicos para alimentos sólidos y viscoelásticos.
Sólidos
El comportamiento elástico de los alimentos sólidos es tremendamente complejo y cae fuera de
los objetivos de este tema. A modo de mera descripción, comentaremos que éste se puede describir en
función de la elongación definida de forma pertinente al tipo de deformación (ver apartado anterior).
Los alimentos con comportamiento estrictamente sólido no fluyen bajo el esfuerzo, sólo se
deforman hasta romperse o ceder de forma irreversible. La deformación puede ser o no proporcional al
esfuerzo aplicado, tal y como se expone en la figura siguiente.
Materiales viscoelásticos
Son los de comportamiento más complejo, ya que se encuentran entre sólidos elásticos y fluidos
con cualquier comportamiento reológico.
El material viscoelástico se comporta de la siguiente forma:
•
Ante la aplicación de un esfuerzo, un material viscoelástico responde deformándose
instantáneamente con algún comportamiento elástico, la tensión aplicada produce una
deformación.
•
A partir del instante cero, el material fluye de acuerdo a un modelo reológico de forma
que la tensión se relaja al aproximarse el material a una nueva posición de equilibrio.
•
A tiempo infinito, la tensión puede haberse relajado totalmente, si el material fluye de
acuerdo al modelo newtoniano o de la potencia, o conservar un valor si el flujo es de
plástico general o de Bingham.
•
Si el esfuerzo cesa en cualquier momento antes de la relajación, el material se retrotrae
recuperando algo de su forma inicial.
Este comportamiento se puede apreciar en la gráfica siguiente
22
Tema 4: Propiedades físicas y reología
Tecnología de los Alimentos
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Todo fluido es algo viscoelástico. Sin embargo la viscoelasticidad sólo se hace notar cuando el
tiempo de relajación es apreciable. En la siguiente tabla se muestran los tiempos de relajación de
algunos materiales.
El tratamiento de los materiales viscoelásticos es muy complejo y debe ser abordado para cada
caso concreto que se esté tratando integrando el comportamiento elástico y viscoso (flujo) en el modelo.
Se han propuesto algunos modelos para estos materiales, que se describen someramente en las gráficas
siguientes.
Las analogías de Maxwell y Kelvin describen el comportamiento viscoelástico como un elemnto
viscoso y otro elastico dispuestos en serie o en paralelo.
23
Tema 4: Propiedades físicas y reología
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Los comportamientos viscoelásticos pueden ser descritos como una combinación de los
elementos anteriores, como muestra el siguiente ejemplo.
Alimentos como el queso fundido, purés vegetales (patata y guisante) y prácticamente todas las
masas para la fabricación de galletas, dulces, bollería y todo tipo de productos horneados o fritos son
viscoelásticos. Especialmente viscoelásticos son las masas de trigo, como las del pan y los churros.
Modelar el comportamiento viscoelástico es una cuestión de primera magnitud en el diseño de
sistemas de extrusión y laminado de masas ya que la retrogradación típica de los materiales
viscoelásticos provoca que los productos sean más cortos y gruesos que los proyectados, alterando
profundamente los parámetros de horneado o fritura subsiguientes.
24
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4
Tecnología de los Alimentos
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Otros aspectos de la estructura física de los alimentos: formación y
estabilización de dispersiones.
Muchos alimentos aparecen en forma de dispersión de una fase en otra o bien pueden
formar/romper una dispersión durante el procesado, lo que a menudo cambia profundamente sus
propiedades reológicas.
Una dispersión es una mezcla de fases inmiscibles, en la que una de las fases se encuentra
finamente dividida (la fase dispersa) y contenida en el seno de la otra fase (fase continua). Es una
situación muy común en alimentos y podemos pensar dispersiones como mantequilla, mayonesa, leche,
helados, merengues y mousses. Por supuesto que la inmiscibilidad de las fases y, por tanto, su diferencia
en propiedades físicas, hace que las dispersiones sean intrínsecamente inestables, ya que la fase dispersa
tenderá, por afinidad, a coagularse provocando la aparición de dos fases. En este punto es donde entra la
presencia de estabilizadores de las dispersiones: sustancias con una composición molecular afín a ambas
fases en distintas zonas de la molécula. Estos estabilizantes se reparten por todas las interfases rebajando
las interacciones hidrofóbicas (en general entre fases de naturaleza distinta) y manteniendo separadas las
partículas dispersas. Algunos alimentos son de forma natural dispersiones y contienen estabilizantes de
forma natural. Veamos los diferentes tipos de dispersiones y ejemplos de algunos alimentos:
4.1
Dispersiones coloidales
Son dispersiones de partículas sólidas en el seno de un fluido o un sólido. Las dispersiones
coloidales son estables al menos en el corto plazo por el pequeño tamaño de sus partículas, lo que causa
que el tiempo de separación (decantación o flotación) sea largo.
Factores que afectan a la estabilidad de las dispersiones coloidales son la diferencia de densidades
entre ambas fases, la viscosidad de la fase continua y su tensión superficial. Las dispersiones coloidales se
estabilizan también con aditivos que den una carga a la superficie de las partículas de forma que se
repelan entre ellas.
Todos los alimentos con el “agítese antes de usar” tienen muchas probabilidades de pertenecer a
este grupo, como batidos de cacao, zumos etc (si bien las partículas pueden no ser coloidales).
4.2
Geles/soles
Los geles y soles son básicamente disoluciones de grandes moléculas de polímero orgánico como
almidón, colágeno o albúmina de huevo. En estado de disolución (estado sol), las grandes moléculas de
polímero modifican mucho la viscosidad de la fase continua (generalmente agua) dando a menudo una
consistencia pastosa con un comportamiento reológico de plástico de Bingham.
En ciertas condiciones (calor, reacciones químicas, desnaturalización) el polímero forma una red
tridimensional que deja encerrado o retenido al fluido que constituye la fase continua. El fluido es
retenido en la red tridimensional de polímero no por oclusión, sino por los numerosos grupos hidrofílicos
que éste contiene, que ligan al agua reteniendola y al resto de los componentes de la fase continua junto
con ésta..
Si la interacción de la red es demasiado intensa, el agua llega a ser expulsada apareciendo fuera
del cuerpo del gel. Este fenómeno se denomina sineresis y es el principal defecto de los geles comerciales
(yogures, natillas, flanes, etc). Puede evitarse con la adición de gomas y humectantes y elevando la
concentración del polímero.
Un gel no puede fluir sin que se destruya su estructura tridimensional al menos parcialmente.
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Tema 4: Propiedades físicas y reología
Tecnología de los Alimentos
4º Ingeniero Químico
No obstante, el gel puede formarse directamente, sin pasar por el estado de sol, como en el caso
de la cuajada, en la fabricación del queso.
La transición sol/gel y viceversa es una de las principales causas de la variación de viscosidad con
el tiempo (fluido tixotrópico/reopéctico) o con el esfuerzo cortante (fluido pseudoplástico o dilatante). Un
caso paradigmático es la fabricación de la masa del pan.
4.3
Emulsiones
Son dispersiones de una fase líquida en otra también líquida e inmiscible con la primera.
Ejemplos son la leche, que es una emulsión de grasa en agua estabilizada con una proteína (caseina), la
mantequilla, una emulsión de partículas de agua en grasa estabilizada por proteína y por la elevada
viscosidad de la grasa (se rompe por calor en la clarificación de la mantequilla, al bajar la viscosidad de la
grasa y desnturalizar la proteína estabilizadora), o la mayonesa, que es una emulsión de aceite en agua
que alcanza una elevada densidad gracias a la poderosa acción estabilizadora de las proteínas fosforadas
de la yema de huevo.
Las emulsiones son las mas inestables de las dispersiones (junto con las espumas) debido a la
elevada tensión superficial entre aceite y agua, y solo se dan en presencia de un estabilizador eficiente que
aparece de forma natural en casos con los descritos o se pueden agregar, siendo compuestos
particularmente eficientes los mono y diglicéridos, polisorbatos, algunas proteínas, fosfolípidos y esteres
de sacarosa o de otros azúcares.
4.4
Espumas
Son un grupo muy popular de alimentos que, a diferencia de los otros casos, se originan en
operaciones de procesado específicamente designadas para formar estos productos. Son dispersiones de
gas (aire) en líquido (agua). Son por tanto inherentemente inestables por la diferencia de densidad y
tensión superficial de las fases y solo son posibles en presencia de estabilizadores eficientes y en
proporción abundante, como en el caso de los merengues, mousses, soufflés, nata montada, masas de
bizcocho (no en los panes, en los que el gas se genera durante la cocción) y helados.
Se puede estabilizar la espuma rebajando la tensión superficial del líquido, aumentando su
viscosidad y, en muchos casos, coagulando el estabilizante por desnaturalización térmica o eliminación
(cocción de merengues, souffles y bizcochos).
Bibliográfía
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